نسخة جديد من نظرية كمّيّة أغرب من الأصلية

بقلم سياران غيليغان- لي

«آينشتاين يُهاجم النظرية الكمّيّة» EINSTEIN attacks quantum theory كان هذا هو العنوان الذي ظهر على صحيفة نيويورك تايمز The New York Times في 4 مايو 1935. فقد اكتشف أشهر علماء العالَم مع مساعديه ما رأوا أنه عيب قاتل في صميم أعظم نظرياتنا عن الطبيعة. لقد وجدوا أن الجسيمات التي تفصل بينها كيلومترات عديدة تبدو قادرة على التفاعل مع بعضها بعضا لحظياً، دعا آلبرت آينشتاين Albert Einstein ذلك بالتأثير الشبحي عن بعد (Spooky Action at A Distance).

وعلى الرغم من أنه ساعدت على إرساء أسس النظرية الكمّيّة Quantum Theory، شعر آينشتاين أن هناك أمراً مفقوداً. فهذه الـ«الشبحية» Spookiness لم تكن على ما يرام، فلا بد من وجود ما لم نكن نراه وبإمكانه تفسيرها. وقطعا، لا يمكن لفكرة بهذه الغرابة أن تكون صحيحة؟

نعلم حاليا أنها صحيحة، وهذا هو الدرس المُستخلص من معظم فيزياء القرن العشرين، فقد اجتازت النظرية الكمّيّة، بما فيها التأثير الشبحي عن بعد، كل اختبار تجريبي خضعت له. وعلى المقاييس الأصغر، فالواقع بالفعل غريب كالغرابة التي تقترحها أفضل النظريات التي تصف العالم تحت الذري Subatomic world.

ما لم نكتشفه هو سبب غرابة النظرية الكمّيّة، فلطالما تفحص الفيزيائيون أمثالي أسسها بحثاً عن الأجوبة. ومؤخراً أظهرت هذه الجهود مفاجأة كبيرة: فرضية جديدة تُدعى «النظرية الكمّيّة تقريباً» Almost Quantum Theory، وهي أكثر غرابة من الأصلية. وما يثير حماسي حقاً، هو أننا قد نكون على عتبة وضعها موضع الاختبار. وإذا اجتازته، ستنشر الصحف مفاجأة القرن العلمية.

تتعامل النظرية الكمّيّة مع العالم تحت الذري للجسيمات، وتصف سلوكها بدقة منقطعة النظير، وجرت العادة على الحديث عنها على أنها أكثر النظريات العلمية حصانةً. لكن ذلك لم يسهل هضم أي من أفكارها. ومن بين جوانبها الغريبة أن الجسيمات تحت الذرية قبل قياسها يمكن أن توجد في سحابة من الحالات الممكنة تُدعى بــ«التراكب» Superposition – طبيعتها المخالفة للمنطق التي اشتهرت أكثر ما اشتُهرت به في حالة قطة شرودنغر Schrödinger’s cat، التجربة الذهنية التي تناولت قطة ميتة وحية في الوقت نفسه. وعلى سبيل المثال أيضاً، هناك الحقيقة التي تقول إن الضوء يمكن أن يسلك سلوك موجة Wave وجسيم Particle.

لكن تأثير آينشتاين الشبحي عن بعد، والمعروف أكثر بـ«اللاموضعية» Non-locality كان أكثر ما خدعنا، فبأخذ جسيمين اثنين، وتحضيرهما وفقاً لإجراءات خاصة، تُعرف بـ«التشابك الكمّيّ» Quantum Entanglement ثم إبعادهما بعيداً عن بعضهما البعض. فإذا ألقيت نظرة خاطفة على إحداهما، ستكون قادراً في الحال على إدراك بعض من الخصائص الكمّيّة للآخر. ويبدو أنهما يؤثران في بعضهما البعض لحظيّاً عبر المسافات الكبيرة، على الرغم من عدم حدوث أي تأثير بينهما، وهنا تصف كلمة «الشبحية» الحالة فعلاً.

اختبار بيل
لفهم أشمل للاموضعية، قد يفيدنا النظر إلى حكاية غريبة عن الجوارب، رواها أولاً الفيزيائي الإيرلندي جون بيل John Bell الذي عزز كثيراً من فهمنا للعالم الكمّيّ. وقد استُلهمت القصة من رينهولد بيرتلمان Reinhold Bertlmann الذي عمل مع بيل في أواخر سبعينات القرن العشرين. أدرك بيل أن زميله اعتاد ارتداء جوربين مختلفي اللون على كل قدم، وهذا يعني أنك وفور مشاهدتك أن أحد جوربي بيرتلمان كان زهري اللون، ستعرف أن الآخر لم يكن كذلك. 

واعتقد بيل أن هذ مشابه للتشابك على نحو غريب. وقاده ذلك إلى التساؤل عما إذا كان التشابك بالغرابة التي بدا عليها، فقصة الجوارب يمكن تفسيرها ببساطة بخيارات بيرتلمان لحظة ارتدائها. فهل يمكن تحديد التجاوب بين الجسيمات المتشابكة مسبقا بالمثل، والذي تفسره الفيزياء اليومية اللاكمّيّة؟

كان على عبقرية بيل أن تجيب عن هذا السؤال بما عُرف فيما بعد باختبار بيل Bell test، ويتضمن الاختبار ربط (تشبيك) Entangling جسيمين اثنين وإرسالهما بعيداً عن بعضهما البعض، إلى مختبرات يمكن قياسهما بها بطريقتين مختلفتين. يجرب كل مختبر طريقة قياس واحدة، دون معرفة طريقة القياس التي اختارها المختبر الثاني، ومن ثم استخدام ذلك للتنبؤ بأشياء حول نتيجة قياس المختبر الآخر. فكر في ذلك على أنه النسخة الكمّيّة من النظر إلى الجورب الزهري والتنبؤ بأن الجورب الآخر لم يكن زهرياً. فعلوا ذلك مرات عديدة وأحصوا عدد التنبؤات الصحيحة. وأظهر بيل أنه إذا كان من الممكن تفسير التشابك بالفيزياء اليومية اللاكمّيّة، فإنك ستحصل على الإجابة الصحيحة باختبار بيل فيما لا يزيد على 75% من المرات. غير أنه لدى إجراء الاختبار على جسيمات كمّيّة متشابكة، تتوصل إلى الإجابة الصحيحة في 85% من المرات.

إذاً، كان اختبار بيل طريقة لتحديد مدى غرابة الترابطات بين الجسيمات الكمّيّة، وقد أظهر الاختبار أنه يتجاوز فعلاً أي شيء يمكننا تفسيره باستخدام الفيزياء الكلاسيكية Classical Physics. وهذا بالضبط ما نقصده عندما نتحدث عن اللاموضعية.

كانت القراءة حول ذلك أول ما أثار اهتمامي بأن صار فيزيائياً، إذ أذهلتني حقيقة أنه بإمكانك طرح أسئلة بهذا العمق حول الواقع والحصول على إجابات واضحة. والآن، يؤدي اختبار بيل دوراً رئيسياً في تطوير مجموعة من الأفكار الأغرب حتى من النظرية الكمّيّة. 

تعود نشأة هذه الأفكار إلى 30 عاماً ماضية، عندما تساءل الباحثون عما إذا كان هناك مبدأ وحيد Single principle في صميم النظرية الكمّيّة. ولفهم سبب أهمية ذلك، قارن النظرية الكمّيّة بنظرية آينشتاين في النسبية الخاصة Theory of Special Relativity. فقد بُنيت بشكل رئيسي من المبدأ الأساسي أن لا شيء ينتقل بسرعة أكبر من سرعة الضوء. فإذا كان من الممكن اشتقاق النظرية الكمّيّة بالمثل من مبدأ واحد، من جوهر الكم، فلن تكون أنيقة جداً فحسب، بل يمكن أن تظهر لنا في نهاية المطاف منبع الغرابة.

في عام 1994، كان كل من ساندو بوبيسكيو Sandu Popescu، ودانييل رورليك Daniel Rohrlich يُمحّصان هذه الفكرة. وتوصلا إلى نظرية فيزيائية مُحتملة صاغت مبدأين بسيطين باستخدام الرياضيات. أولهما، ألا يمكن لإشارة أن تنتقل بسرعة أكبر من سرعة الضوء. وثانيهما أن اللاموضعية يمكن أن تنطبق على الواقع. بدا كل شيء روتينياً، لكن كان بانتظارهما صدمة لاحقة. 

فقد تبين أن فكرتهما -التي أُطلق عليها «صناديق بي آر» PR Boxes- قد سمحت بترابطات أقوى من التي نرصدها، بحيث ينتج اختبار بيل الإجابة الصحيحة 100% في كل المرات. فقد بدا خطؤها جلياً، لكن صناديق بي آر بدأت من افتراضات معقولة، فلماذا كانت خاطئة؟ تقول ميريام ويلينمان Mirjam Weilenmann من معهد البصريات الكمّيّة والمعلومات الكمّيّة Institute for Quantum Optics and Quantum Information في النمسا: «كان ذلك مفاجأة كبيرة».

مرت فترة طويلة من الزمن قبل أن تُلحظ هذه النتائج. وتقول ماتي هوبان Matty Hoban من كوانتينيوم Quantinuum وهي شركة حوسبة كمّيّة في أكسفورد بالمملكة المتحدة: «لقد نُشر عملهما في دورية مغمورة بعض الشيء». لكن بعد ما يزيد على العقد بقليل تقريباً، بدأ بعض الفيزيائيين بإجراء المزيد من الأبحاث.

كان أحدهم ميغيل نفاسكويز Miguel Navascués من معهد فيينا أيضاً، ففي عام 2009، وقد قرر إعادة صياغة قواعد النظرية الكمّيّة، بدءاً هذه المرة من المبداً القائل إن لا شيء ينتقل بسرعة أكبر من سرعة الضوء ومن مبدأ جديد يُدعى الموضعية العيانية Macroscopic Locality. وينص المبدأ الأخير على أنه عند انتقالنا من الأجسام التي قياسها من مستوى قياس الجسيمات إلى المستوى الأكبر، العالم العياني Macroscopic World، تظهر قواعد الفيزياء الكلاسيكية، وتختفي اللاموضعية. وقد أظهر اختبار بيل الذي أُجري في ظل هذه الافتراضات أن الإجابات الصحيحة عن الجسيمات المتشابكة ينبغي أن تحدث بنسب أقل من 100% في كل مرات الاختبار. وقد أشار إلى أن صناديق بي آر قد حادت عن الطريق لأنها استبعدت مبدأ الموضعية العيانية. والآن قد ساد شعور بأن هذا النوع من البحث قد يقربنا قليلاً من العثور على جوهر نظرية الكم.

في العام نفسه، حاول فريق بقيادة مارسين بافلوفسكي Marcin Pawłowski من جامعة غدانسك University of Gdansk في بولندا إعادة الصياغة مرة أخرى، لكن هذه المرة انطلاقا من مبدأ وحيد يدعى «سببية المعلومات» Information causality، وينص على أنه حين يتبادل شخصان المعلومات، لا يمكن لأحدهما أن يتلقى من المعلومات أكثر مما يرسل الآخر. وقد أثبت هذا المبدأ أنه كان حاسماً. وقد أنتج اختبار بيل الذي جرى في ظل إعادة الصياغة الناتجة الإجابة الصحيحة المتمثلة بـ 85% من المرات، وهو الحد الأعلى Maximum للدقة المرصودة في التجارب الحقيقية. 

التأثير الشبحي عن بعد
أثار ذلك ضجة كبيرة، يقول نفاسكويز: «حققت سببية المعلومات نجاحاً كبيراً، لقد كانت مذهلة. وقال الناس قد يختزل هذا المبدأ كل ميكانيكا الكم». اعتقد البعض أننا أصبنا أخيراً جوهر نظرية الكم، لكن لم يكن الجميع متأكداً من أن المؤلفين قد قدّموا ما يكفي لإظهار أن إطار عملهم يمكن أن يصف كل الفروقات الدقيقة لميكانيكا الكم، وليست أقلها الظاهر الغريبة الأخرى الكامنة وراء اللاموضعية.

وهكذا، في عام 2015 قدم نفاسكويز وهوبان وشركاؤهما الآخرون طرحا آخر. وهو لا يتضمن بعض المعلومات الواردة في النظرية الكمّيّة الصحيحة، وهذا ما دعا إلى تسميته بـ «النظرية الكمّيّة تقريباً». لكنه بدا وقد جاء بداخله بكل ما نعرفه صحيحاً عن نطرية الكم. إضافة إلى ذلك، وحين تعمل من خلال النتائج التي ستحصل عليها من اختبار بيل في ظل النظرية الكمّيّة تقريباً، ستحصل على نسبة الـ85% ثانيةً. فقد حقق نفاسكويز وشركاؤه أهدافهم بإظهار عيوب سببية المعلومات لأن هذا المبدأ لم ينتج نظرية الكم ثانية على نحو فريد.

قد يبدو محبطاً التوصل إلى أن نظرية سببية المعلومات ناقصة. لكن حين تفكر بالأمر ملياً، ستجد أن هناك بديل مثير للاهتمام: ماذا لو كانت النظرية الكمّيّة تقريباً هي الوصف الحقيقي للواقع فعلاً؟

ففي كل الحالات تقريباً، تتنبأ بالتنبؤات نفسها التي تتنبؤ بها نظرية الكم الاعتيادية. ومع ذلك، وفي تطور مفاجئ، هناك بعض الحالات غير الاعتيادية حيث تتنبأ بوجود ارتباطات بين الجسيمات أقوى من تلك التي تتنبأ بها النظرية الكمّيّة العادية. ولم يجرِ التحقّق تجريبياً في أي من هذه الحالات حتى الآن، ما يتركنا في موقف تاريخي، إذ إن لدينا نظرية صالحة محتملة عن الواقع لا يمكننا استبعادها، وهي تشير إلى أن نظرية الكم ليست غريبة بما يكفي لتُعلِّل بعض حالات الواقع.

وكأن ذلك لم يكن مثيراً بما يكفي، فقد كان هناك سبب آخر يدعو للإثارة بشأن نظرية الكم تقريباً. فحالياً، نظرياتنا عن الجاذبية Gravity والعالم الكمّيّ منفصلة عن بعضها البعض، وسيكون إيجاد نسخة كمّيّة من النسبية العامة بمثابة طريقة واعدة لتوحيدها معاً. واللبنات الأساسية لهذه الفرضية، والتي اقترحها الحائز على جائزة نوبل موراي غيل- مان Murray Gell-Mann، تتوافق مع سلسلة من تفاعلات الجسيمات. وهذا الفكرة ليست شائعة الآن وقد يكون كل ذلك على سبيل المصادفة، أو يمكن أن يكون لإخبارنا أمرٌ ما وفقاً لهوبان: «أعتقد أن هذه الصلة لطيفة حقاً».

التشابك الكمّيّ
إن اكتشاف ما إذا كان الدفاع عن نظرية الكم تقريباً ممكناً ضرورياً، لكن لن يكون سهلاً، فهي تتنبأ أنه وفي حالات معينة، يمكن أن تمتلك الجسيمات ترابطاً أقوى مما رصدناه على الإطلاق، لكن ومن حيث التعريف، ستكون السيطرة على أنظمة الجسيمات المشاركة والعمل معها صعباً. وواحدة من سبل اختبارها ستكون عبر إجراء نسخة من اختبار بيل على ثلاثة جسيمات بدلاً عن اثنين، كما تقول آنا بيلين ساينز Ana Belén Sainz من جامعة غدانسك: «سأحب مشاهدة هذه التجارب».

مشكلة ذلك الوحيدة هي أننا لا نعلم ما نوع الجسيمات الأفضل لمثل هذه الاختبارات. لكن نفاسكويز يقول إن هناك أنظمة جسيمات كمّيّة طالما كافحنا للتحكم بها، جسيمات من قبيل الكاونات Kaons والمؤلفة من كواركات متجمعة مع بعضها بعضا بطريقة غير اعتيادية. وهو يظن بأنها قد تخفي فيزياء ما بعد الكم Post-Quantum Physics.

وفقاً لهوبان، مكان آخر للبحث عن ذلك يتمثل بالحواسيب الكمّيّة Quantum Computers، فضمن هذه الآلات، تجري العديد من التفاعلات بطرق لا يمكننا فهمها دائماً. ويتابع: «إذا بدأنا ببناء هذه الحواسيب الكمّيّة، وصار سلوكها فجأة كما لا يجب أن يكون، سأحب ذلك». قد يكون ذلك إشارة على النظرية الكمّيّة تقريباً. ويوافق نفاسكويز على أن البحث في الأنظمة التي تتفاعل فيها أعداد كبيرة من الجسيمات قد يكون أرضية خصبة. وهو يتحدث إلى مجموعة من الباحثين التجريبيين في الصين لاستكشاف كيفية تصميم أنظمة كهذه واختبارها.

إذا ثبتت صحة النظرية الكمّيّة تقريباً، فستكون هنالك تعقيدات كبيرة. فالقدرة على تشبيك الجسيمات تشكل أساس الحوسبة الكمّيّة، والتشفير الكمّيّ (التعمية الكمية)Quantum Cryptography. وتعد الحوسبة الكمّيّة بثورة على صعيد توفير طرق جديدة لإنجاز الحسابات، ويقدم التشفير الكمّيّ طريقة يمكن الاعتماد عليها لتأمين الاتصالات وقد بشكل أساس الإنترنت الكمّيّ Quantum Internet. فإذا كانت النظرية الكمّيّة تقريباً صحيحة وتمكنا من تسخيرها، فقد تعزز كلا التقنيتين.

وحتى لو تبين أن ذلك ليس إلا وهماً، سيبقى البحث عن مبادئ جديدة للفيزياء عظيم القيمة. وكلما عرفنا المزيد عن نظرية الكم، تحسنت فرصة إيجاد طريقة للجمع بينها وبين النسبية العامة General Relativity -أي نظرية آينشتاين في الجاذبية. تقول ويلينمان: «نظرية الكم قد صارت قديمة فعلاً مقارنة بالنظريات الأخرى، لكن هناك الكثير من الآفاق ليستكشفها الناس».

بالحديث عن آينشتاين، عليك أن تتجنب التفكير في كل هذا. فقد تمنى بشدة أن يكون التأثير الشبحي عن بعد خطأً ينتهي به المطاف بإظهار خطأ ميكانيكا الكم. لكنه لم يدرك أنه وبعد تسعين عاماً من تلك اللحظة، نحن على وشك إيجاد نظرية أكثر شبحية في الفيزياء.

© 2023, New Scientist, Distributed by Tribune Content Agency LLC.